KR101214993B1 - 원자력 발전소 및 원자력 발전소의 격납 용기용 폐쇄 장치 - Google Patents

원자력 발전소 및 원자력 발전소의 격납 용기용 폐쇄 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 격납 용기(2)를 포함하는 원자력 발전소(4)에 관한 것이다. 격납 용기의 내부 챔버(14)는, 기밀한 격벽(16)에 의해, 원자로 압력 용기(8) 및 1차 냉각 회로(10)를 포함하는 시스템 챔버(18)와, 정상 작동 중에도 접근할 수 있는 작동 챔버(20)로 분리된다. 이와 같은 원자력 발전소(4)는, 생산 및 작동 비용을 극미하게 유지하면서, 특히 수소가 시스템 챔버(18) 내로 유리되는 사고가 발생하는 상황에서도, 특히 높은 작동 신뢰성을 보장해야 한다. 이와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따라 다수의 오버플로 개구부(22a, 22b, 22c)가 격벽(16)에 제공되고, 그 각각의 오버플로 개구부(22a, 22b, 22c)는 이 오버플로 개구부(22a, 22b, 22c) 각각에 할당된 트리거링 조건에 도달하는 경우에 자동으로 개방되는 폐쇄 장치(26)의 폐쇄 부재(24)에 의해 폐쇄되며, 그리고 폐쇄 장치(26)는 압력에 따라 개방될 뿐만 아니라 압력과 무관하게 개방될 수도 있다. 또한, 이와 관련하여 특히 바람직한 폐쇄 장치(26)는, 파열막(50) 또는 파열 격막을 포함하는 폐쇄 부재(24)를 구비한다. 그리고 폐쇄 장치(26)는 사전 설정된 주변 측면의 트리거링 온도에 도달하는 경우에 오버플로 개구부(22a, 22b, 22c)를 자동으로 개방시킬 수 있도록 설계된다.

Description

원자력 발전소 및 원자력 발전소의 격납 용기용 폐쇄 장치 {NUCLEAR ENGINEERING PLANT AND CLOSURE APPARATUS FOR ITS CONTAINMENT}
본 발명은 격납 용기를 포함하는 원자력 발전소, 특히 가압 수형 원자로에 관한 것이다. 상기 격납 용기의 내부 챔버는 기밀한 격벽에 의해서 원자로 압력 용기와 1차 냉각 회로를 포함하는 시스템 챔버 및 정상 작동 중에도 접근할 수 있는 작동 챔버로 분리되며, 상기 격벽에는 다수의 오버플로 개구부가 제공된다. 또한, 본 발명은 격벽에 배치되는 오버플로 개구부용 폐쇄 장치와도 관련이 있다.
원자력 발전소의 안전 관련 레이 아웃의 범주에서, 대개 원자로 노심을 둘러싸는 원자로 압력 용기는 격납 용기 내부에 배치된다. 격납 용기 내에는 다수의 중복식 다양성 안전 장치(redundant diverse safety device)가 제공된다. 이와 같은 안전 장치들을 통해서는, 원자력 발전소의 정상적인 작동에 대한 고장이 발생하는 경우에, 특히 원자로 노심(reactor core)에서 냉각제 손실이 발생하는 경우에도 원자로 노심의 확실한 냉각이 보장된다. 그 외에도 격납 용기는 종종 주변 환경에 비해 부압(negative pressure) 상태로 유지되는 기밀한 피복부(envelope)로서 작동 고장의 경우에도 방사능이 주변 환경으로 유출되지 않도록 보장한다. 이와 같이 자체에 의해 둘러싸인 대기와 함께 격납 용기는 컨테인먼트(Containment)로서도 지칭된다.
지금까지 실현되었던 다수의 발전소에서는 내부 용적이 분명하게 분리되지 않은 이른바 단일 챔버 컨테인먼트가 제공되었다. 그러나 이런 경우에는 정상 작동 중에 상기 내부 용적에 접근하기가 어렵다. 그로 인해 격납 용기 내에서 이루어지는 검사 작업 및 유지 보수 작업이 어려워진다. 만일 격납 용기의 내부 챔버에 접근해야 하는 경우에 원자로는 일반적으로 사전에 적시에 전원이 차단되어야 하고, 컨테인먼트 공기에서 방사능 등을 제거해야만 한다. 이와 같은 요인들은 정지 시간을 더욱 연장할 수 있다.
상기와 같은 어려움에 대처하기 위해, 이미 이른바 이중 챔버 컨테인먼트가 제안되었다. 이 경우 격납 용기의 내부 챔버는 기밀한 격벽에 의해서, 일반적으로는 콘크리트 격벽에 의해서 원자로 압력 용기와 1차 냉각 회로를 포함하는 시스템 챔버와, 방사선 및 환기와 관련하여 차폐된 작동 챔버로 분리된다. 따라서 작동 챔버는 출력 작동 중에도 접근이 가능하다. 다시 말해, 상기와 같은 구상에서 상대적으로 더 많이 오염된 고에너지의 액티브 1차 회로 컴포넌트를 포함하는 시스템 챔버는 정상 작동 중에 접근이 가능하고 그에 따라 유지 보수 목적을 위해 접근할 수 있는 컨테인먼트 영역으로부터, 즉 이른바 작동 챔버로부터 분리 및 차폐된다.
상황에 따라, 예컨대 1차 냉각 회로 내 누출로 인하여 노심 온도가 상승하는 고장 상황, 특히 사고 상황에 따라 격납 용기의 내부에서는 분리된 챔버 영역에서 증기와 폭발성 가스, 특히 수소가 다량으로 방출될 수 있다. 따라서 전술된 형태의 이중 챔버 컨테인먼트의 경우에 비교적 작은 용적의 시스템 챔버 내부에서는 압력이 상대적으로 빠르게 상승하고, 발연성 가스의 농도도 대폭 증가할 수 있다. 그러나 시스템 챔버 내에서 비교적 느린 압력 형성만을 야기할 정도로 누출 횡단면이 상대적으로 작은 경우라면, 제한된 팽창 용적을 바탕으로 발연성 가스 또는 폭발성 가스 혼합기의 임계 농도를 국부적으로 제한하는 방식으로 조정이 이루어질 수 있다.
그러므로 상기와 같은 고장 및 사고 상황에서는, 모든 컨테인먼트 용적 내에서 발연성 가스의 국부적인 최대 농도 및 전체적인 최대 농도를 제한하는, 고장 시 공기의 효과적인 분포에 도달하도록 해야 한다. 이를 위해, 지금까지는 특히 파열판으로 폐쇄되는 오버플로 개구부들이 시스템 챔버와 작동 챔버 사이의 격벽에 제공되었다. 이와 관련하여 오버플로 개구부들은 파열 압력에 도달하면 개방된다. 그러나 파열 부재의 설계 및 제조 시에 파열 허용오차에서 발생하는 소정의 변동을 막을 수 없기 때문에, 전술한 해결 방법의 경우에 상대적으로 적은 누출과 느린 압력 형성이 나타날 수 있는 고장 상황에서는 일반적으로 최소의 개별 파열 압력을 갖는 파열 부재만이 개방된다는 단점이 있다. 이와 같은 방식의 압력 보상은 일반적으로 나머지 파열 부재의 개방을 방해한다. 부분적으로만 이루어지는 챔버 개방으로 인해 폭발성 가스의 대류성 분포가 강하게 제한되기 때문에 불활성화 장치 및 재조합기 등을 집중적으로 이용하여 폭발 위험을 감소시켜야만 한다. 이와 같은 조치는 일반적으로 비교적 복잡하고 많은 비용이 소요되며, 달성 가능한 안전 수준과 관련하여 최적의 조건으로 간주하기 어렵다.
이미 구상을 통해 부분적으로 실현된 또 다른 안전 개념에 따르면, 파열판에 추가되거나 대체되는 방식으로 수동식 게이트(manual gate)가 제공된다. 이런 수동식 게이트는 비상 상황에서 오버플로 횡단면을 차단 해제할 수 있도록 작동 케이블 또는 전동기를 통해 격납 용기 외부에 위치한 사용자에 의해서 작동되거나 활성화될 수 있다. 그러나 수동식 비상 장치는 일련의 수많은 고장의 경우에, 특히 매우 이른 시기에 수소가 방출되는 고장 상황에서는 속도가 너무 느리고 매우 불안전하다고 입증되었으며, 요구되는 높은 비용으로 인해 그 개수 및 개방 횡단면이 강하게 제한되었다. 그러므로 일반적으로 안전 임계 발전소와 원자력 발전소에서는 사람의 오작동이나 상황 조건에 따른 오류 평가로 인해 발생할 수도 있는 오류 조건을 우선적으로 배제해야만 한다. 폐쇄 게이트가 모터로 작동되는 대안적인 해결 방법은 완전히 에너지 공급 조건에 의존하기 때문에 문제의 여지가 있다. 그 외에도 상기와 같이 모터로 작동되는 폐쇄 게이트는 고에너지 배관의 파손 횡단면이 큰 경우 감압을 위해 개방이 지연됨으로 인해 효과적이지 못하며, (구동 장치, 기어 등을 위해) 상당한 공간을 필요로 하기 때문에 압력 감압 부재에 중요한 장착면을 이용할 수 없게 된다.
기본적으로 상기와 같은 문제점은 전술한 장치를 이용하여 H2가 다량 방출되는 사고 상황에서 상세하게 실시한 H2 분포 및 압력 형성 분석을 통해 입증되었다.
본 발명의 과제는 서문에 언급된 방식의 원자력 발전소에서 제조 비용 및 작동 비용을 낮게 유지하면서, 특히 노심 영역 또는 1차 냉각 회로에서 상당한 수소 방출이 이루어지는 고장 상황에서도 높은 작동 안전성을 보장해주는 원자력 발전소를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 과제는 시스템 챔버와 작동 챔버 사이의 격벽에 배치되는 압력 감압 개구부 및 오버플로 개구부와 관련하여 상기와 같은 발전소에서 이용하기에 특히 적합한 폐쇄 장치를 제공하는 것이다.
원자력 발전소와 관련된 상기 목적은 본 발명에 따라 각각의 감압 및 오버플로 개구부가 각각의 오버플로에 할당된 트리거링 조건에 도달하는 경우에 자동으로 개방되는 폐쇄 장치의 폐쇄 부재에 의해서 폐쇄되고, 상기 폐쇄 장치가 압력에 따라 개방될 뿐 아니라, 압력과 무관하게도 개방됨으로써 해결된다.
본 발명은 서문에 언급된 방식의 원자력 발전소에서 증기 및 가연성 혹은 폭발성 가스가 다량으로 방출되는 고장의 경우에는, 상기 가스의 국부적인 최대 농도 및 전체적인 최대 농도가 거의 구조 및 레이 아웃 조건에 따라 가급적 낮게 유지되어야만 한다는 생각으로부터 출발한다. 격납 용기의 완전성에 위험을 초래할 수도 있는 폭발성 혼합기는 결코 발생해서는 안 된다. 따라서 시스템 챔버 내부에서 고장이 발생하는 경우에, 전체 컨테인먼트 용적 내에서는 고장 시에 공기의 효과적인 분배와 가스 농도의 제한을 위해 챔버가 신속하게 개방되어야 한다. 그 외에도 격벽의 오버플로 개구부에 배치되어 폐쇄된 상태에서 시스템 챔버 및 작동 챔버의 정상 작동용 챔버 분리 그리고 환기 및 방사선 보호 관련 분리를 보장하는 폐쇄 장치들은 다양성, 수동성(passivity), 중복성 및 신뢰성과 같은 레이 아웃 원리에 따라 고장이 발생하는 경우에 오버플로 횡단면이 자동으로 그리고 자체 작동 방식으로, 바람직하게는 외부로부터의 에너지 공급 없이도 개방 또는 차단 해제될 수 있도록 구성되어야 한다.
고장 조건에 따라 방출되는 가스의 특히 효과적인 분배 및 나머지 모든 컨테인먼트의 공기와 가스의 혼합뿐 아니라 배관 파손이 큰 경우 시스템 챔버의 효과적인 압력 감압을 위해서는, 단 하나의 폐쇄 부재뿐 아니라 다수의, 이상적인 경우는 수많은 또는 심지어는 모든 폐쇄 부재가 정상 작동 중에 상기 폐쇄 부재 자체에 의해 차단되어 있던 흐름 경로를 동시에 또는 적어도 적시에 차단 해제해야만 한다. 이와 같은 내용은 특히 1차 회로 내에서의 누출이 적고, 이와 관련하여 압력 형성이 느리게 이루어지는 경우에도 적용되어야 한다. 이를 위해, 이하에서 설명되는 본원의 개념에 따라 한편으로는 서로 독립된 폐쇄 장치들에 각각 고장과 관련한 트리거링 조건이 할당되며, 이와 같은 트리거링 조건은 각각의 사용 위치, 다시 말해 각각의 오버플로 개구부의 위치에서 발생하는 특수 환경 조건 및 작동 매개 변수 그리고 영향 요소를 고려한다. 다른 한편으로는, 예컨대 간단한 형식으로 통상적인 파열막 등에 의해 실현될 수 있는 순수 압력 의존형 트리거링 메커니즘과 더불어, 또는 이를 대체하는 방식으로, 폐쇄 장치들 중 최소한 일부분에 적어도 하나의 추가적인 압력 비의존형 트리거링 원리가 제공된다. 폐쇄 장치들 또는 이 폐쇄 장치들에 할당되는 트리거링 장치들에 대한 상기와 같은 다양한 레이 아웃을 통해서, 그리고 각각의 오버플로 개구부에 적합한 트리거링 매개 변수, 임계값, 민감도 등을 선택함으로써 단 하나의 폐쇄 장치에서뿐만 아니라 서로 독립되어 분산 방식으로 트리거링 되는 다수의 폐쇄 장치들에서도 비교적 무해한 고장 상황에 대하여 적시에 그리고 거의 동시에 반응이 이루어진다.
목표하는 다양성을 실현하기 위해, 원자력 발전소는 바람직하게 두 가지 이상 형태의 폐쇄 장치를 포함한다. 예컨대 이 폐쇄 장치들의 경우에는 각각 트리거링 과정 및/또는 작동 과정의 기초가 되는 작동 원리들이 서로 다르다. 또한, 이에 대체되거나 또는 추가되는 실시예에 따르면, 서로 다른 작동 원리를 기반으로 하는 다수의 트리거링 장치가 통합된 적어도 하나의 폐쇄 장치가 제공될 수도 있다.
특히 바람직하게는, 압력에 따라 개방되는 폐쇄 장치 이외에 온도에 따라 개방되는 폐쇄 장치들이 제공된 원자력 발전소가 구성될 수 있다. 다시 말해 시스템 챔버 내에서 압력이 느리게 상승하는 경우, 개별 트리거링 압력 또는 파열 압력에 도달하는 경우에는 일반적으로 압력에 민감한 폐쇄 장치들 또는 파열 부재들 중에 하나만 개방되거나 또는 소수의 파열 부재들만 개방되는데, 이와 같은 내용은 당연히 불충분한 챔버 개방 그리고 컨테인먼트 공기의 불충분한 혼합만을 초래할 수 있다. 고장 중에는 통상적으로 예컨대 1차 회로 내 누출에 따라 고온의 증기가 유출됨으로써 시스템 챔버 내부의 온도도 동시에 상승하기 때문에, 온도에 민감한 폐쇄 장치들에 의하여 추가적인 오버플로 횡단면이 차단 해제되고, 그럼으로써 고장 시에 공기가 효과적으로 분배된다.
바람직하게 적어도 하나의 폐쇄 장치는, 시스템 챔버 내 공기 압력이 사전 설정된 트리거링 압력을 초과하면 곧바로 자체 작동 방식을 따라 개방될 수 있도록 설계된다. 압력의 절대값과 관련된 트리거링 조건 대신에, 시스템 챔버와 작동 챔버 사이의 압력 차이가 사전 설정된 트리거링 값을 초과하면 곧바로 적어도 하나의 폐쇄 장치가 자체 작동 방식으로 개방될 수 있도록 하는 상대적인 기준이 제공될 수도 있다. 바람직한 트리거링 값은 약 20mbar 내지 300mbar이다.
또한, 적어도 하나의 폐쇄 장치는 시스템 챔버의 어느 한 측정 위치에서 국부적인 공기 온도가 사전 설정된 트리거링 온도를 초과하는 즉시 자체 작동 방식으로 개방될 수 있도록 설계된다. 바람직하게는 대응하는, 온도 의존형 트리거링 또는 언로킹 장치가 폐쇄 장치에 통합되는데, 다시 말해 측정 위치가 해당하는 폐쇄 장치의 장착 위치에 바로 인접하거나 또는 오버플로 개구부 표면 또는 그 내부에 위치한다. 이에 대체되거나 또는 추가되는 실시예에 따르면, 해당 폐쇄 부재가 원격 제어 장치를 통해 시스템 챔버의 천장부 근처에 위치 설정되는 온도 의존형 트리거링 장치에 연결되는 방식의 적어도 하나의 폐쇄 장치가 제공될 수도 있다. 이와 관련하여 더욱 바람직하게는 시스템 챔버의 하부 영역에 배치되는 폐쇄 부재가 상대적으로 높은 위치에 배치되는 용융 납땜 장치 등에 의해서 작동되거나 잠금 해제될 수 있으며, 그럼으로써 온도 성층(온도 층) 중 상부 영역에서 발생하는 상대적으로 높은 온도는 상대적으로 아래에 위치하는 오버플로 장치의 확실한 트리거링 및 확실한 개방을 위해서 이용된다.
트리거링 온도는 바람직하게 시스템 챔버 내에서 정상 작동 중에 제공되고, 바람직하게는 순환 공기 냉각 시스템에 의하여 60℃ 이하로 유지되는 챔버 공기에 적합하게 조정된다. 바람직하게는 트리거링 온도가 약 65℃ 내지 90℃의 온도 범위에서 선택된다. 특히 바람직한 구현예에 따르면, 온도에 따라 개방되는 폐쇄 장치들의 트리거링 온도는 그 폐쇄 장치들의 장착 높이에 따라 상승하거나 또는 그 높이에 부합하게 층을 이루는 방식으로 예컨대 65℃ 내지 90℃에서 선택되며, 그렇게 함으로써 시스템 챔버 내 온도 성층이 고려된다. 따라서, 이런 경우에는 바람직하게 모든 폐쇄 장치들이 신속하게 그리고 거의 동시에 개방된다.
바람직한 개선예에 따르면, 적어도 하나의 폐쇄 장치는 시스템 챔버의 공기 중에 존재하는 가연성 또는 폭발성 가스의 농도, 특히 수소 농도가 사전 설정된 트리거링 농도를 초과하자마자 자체 작동 방식으로 개방될 수 있도록 설계된다. 다시 말해 압력 및 온도 감응형 트리거링과 더불어 발연성 가스의 농도가 감시되고 사전 설정된 한계값이 초과되면, 정상 작동 중에 오버플로 횡단면을 폐쇄하고 있던 폐쇄 장치가 자동으로 개방되면서 트리거링 기준의 추가적인 다양화가 실현된다. 바람직한 트리거링 농도는 약 1 내지 4 용적 퍼센트의 H2이다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 폭발성 또는 발연성 가스가 존재하는 경우, 열을 방출하는 촉매 부재 또는 H2 재조합기로부터 방출되는 열이 임계값을 초과하는 경우에는 상기 촉매 부재 또는 H2 재조합기가 폐쇄 장치의 개방을 야기하는 방식으로 온도에 따라 개방되는 폐쇄 장치 근처에 배치되거나 또는 촉매 부재 혹은 재조합기 자체에 할당된 온도 감응형 트리거링 장치 근처에 배치됨으로써, 전술한 농도 감응형 트리거링이 실현된다. 예컨대 각각의 재조합기는 폐쇄 장치의 개방을 초기화하는 용융 납땜 장치 바로 아래에 배치되며, 그럼으로써 H2가 발생하는 경우에 재조합기의 상승하는 작동 온도는 다양하게, 다시 말해 나머지 챔버 온도가 낮은 경우에도 그리고 경우에 따라 발생할 수 있는 증기 방출과 무관하게 오버플로 횡단면의 확실한 개방을 야기하게 된다. 재조합기 대신에 또는 이 재조합기에 추가로 예컨대 워시코트-코팅층 그리고 백금 및/또는 팔라듐과 같은 촉매 작용 재료를 포함하는 금속 캐리어의 베이스 상에 촉매 부재가 제공될 수 있다. 수소 발생의 경우에는 농도가 거의 1 내지 4 용적 퍼센트인 경우에도 발열 반응열에 의해서, 예컨대 그 밖의 챔버 온도와 무관하게 온도 감응형 폐쇄 장치의 확실한 트리거링이 보장된다.
또한, 바람직하게는 폐쇄 장치들 중 각각 하나의 폐쇄 장치를 구비하는 오버플로 개구부들 중 제 1 부분 그룹은 하부로부터 1/3 높이 지점 이내에, 특히 시스템 챔버의 바닥 근처 영역에 배치되고, 제 2 부분 그룹은 상대적으로 더 높은 영역에, 특히 격벽 구간 중 시스템 챔버의 천장부를 형성하는 구간에 배치된다. 이와 관련하여, 시스템 챔버와 작동 챔버 사이의 공기 기둥의 밀도 차이에 의해 패시브 방식으로 대류 롤(convection roll)을 효과적으로 구동할 수 있도록 하기 위하여, 높은 곳의 오버플로 개구부와 낮은 곳의 오버플로 개구부 사이의 높이 차이는 바람직하게는 5m 이상, 특히 바람직하게는 20m 이상이다. 이와 관련하여 더욱 바람직하게는 상대적으로 낮은 곳에 위치하는 오버플로 개구부와 상대적으로 높은 곳에 위치하는 오버플로 개구부 사이에서 시스템 챔버의 내부 벽부 표면에 다수의 재조합기가 장착된다. 고장의 경우에 챔버 냉각의 손실을 바탕으로 또는 증기 방출에 의해 발생하는 밀도 감소에 의하여, 시스템 챔버 내에서 경우에 따라 촉매 재조합기의 반응열에 의해 더욱 강화되는 굴뚝 작용은 컨테인먼트 내 광범위한 대류 롤의 구동을 위해서 이용된다. 따라서 오버플로 속도는 0.5m/s 내지 2m/s 또는 그 이상으로 상승하게 된다. 이와 관련하여 재조합기들의 배치는 더욱 바람직하게 시스템 챔버의 영역 중 전술한 굴뚝 영역에서, 다시 말해 증기 발생기 타워의 상부 영역과 낮은 곳에 위치하는 오버플로 개구부들의 위쪽 영역에서 강화된 반응열이 방출될 수 있도록 선택된다. 이와 같은 방식으로 챔버 개방 후에는 재조합기들에서의 유입 속도가 더욱 상승하게 되며, 이와 같은 사실은 수소 분해를 매우 효과적으로 촉진한다. 특히 바람직하게 재조합기들은 시스템 챔버들 내의 H2 분해 용량이 예컨대 50kg/h 이상인 H2 총 분해 용량의 20% 이상이 될 수 있도록 배치되고 시스템 챔버 내부에 분배된다.
넓은 압력 감압 면적은 계속해서 모두 압력에 따라 개방될 수 있는 전술한 감압 부재 및 오버플로 부재들의 조합에 의해서 가능해진다. 바람직하게 폐쇄 부재들이 차지하는 총 면적은 시스템 챔버의 수평 횡단면의 약 0.1배 내지 0.5배에 해당한다. 그로 인해 배관 파손이 큰 경우에도 시스템 챔버 내 차이 압력 하중이 대폭 제한되며, 그럼으로써 평평한 강철 캐리어의 홀딩- 및 밀봉 구조는 (기술적으로 가능한 저항 모멘트를 바탕으로) 하중 전달이 제한되는 경우에도 달성될 수 있다. 이와 같은 방식으로 배관 파손이 심각하고 누출이 클 때 발생하는 압력 하중은 격납 용기에 대한 설계 압력의 0.5배 이하로, 특히 그 설계 압력의 0.2배 이하로 제한된다. 그밖에 누출이 적은 경우에도 특히 효과적인 대류를 보장하기 위하여 증기 발생기 타워당 오버플로 개구부가 차지하는 총 면적은 바람직하게 1㎡ 이상, 특히 바람직하게는 5㎡ 이상이다.
바람직하게 원자력 발전소는 시스템 챔버 내에 존재하는 주변 공기를 냉각하기 위해 특히 순환 공기 냉각 시스템 형태의 냉각 장치를 포함하며, 냉각 장치의 냉각 용량은 바람직하게는 시스템 챔버 내 챔버 온도가 정상 작동 중에 계속해서 60℃ 이하로 강하될 수 있는 방식으로 치수 설정된다. 냉각을 통해, 특히 작동 챔버에 대하여 시스템 챔버 내에서 정상 작동 중에 설정되는 굴뚝 효과와 그에 따른 폐쇄 부재들의 기밀성에 작용하는 압력 차이는 최소화된다. 또한, 원자력 발전소는 시스템 챔버 내에 존재하는 챔버 공기를 위한 흡입 장치 그리고 흐름 방향에서 이 흡입 장치의 전방 또는 후방에 배치되어 흡입된 챔버 공기를 정화하고 오염물을 제거하기 위한 정화 장치를 포함한다. 그에 따라 정상 작동 중에는 시스템 챔버로부터 챔버 공기가 흡입됨으로써, 작동 챔버에 비해 시스템 챔버에는 약 10 파스칼 이상의 약한 부압이 형성된다. 그러나 이런 압력 차이는 다른 한편으로 파열 부재들이나 그 외에 압력에 따라 개방되는 폐쇄 장치들의 파열을 야기하는 트리거링 값을 초과해서는 안 된다. 흡입된 챔버 공기는 주변 환경으로 방출되기 전에 에어로졸 및 요오드 필터에서 최대로 광범위하게 정화된다.
원자력 발전소의 오버플로 개구부들 중 하나의 오버플로 개구부를 위한 특히 바람직한 폐쇄 장치는 바람직하게 파열막 또는 파열판을 구비하는 폐쇄 부재를 포함하며, 이 경우 폐쇄 장치는 주변 환경 측의 사전 설정된 트리거링 온도에 도달하는 경우에 흐름 횡단면을 자체 작동 방식으로 차단 해제할 수 있도록 설계된다. 다시 말하자면, "압력 의존형 개방" 및 "온도 의존형 개방"이라는 두 가지 기능은 단 하나의 폐쇄 장치에만 통합되고, 패시브 부재로서 설계된 폐쇄 부재는 상기 두 가지 트리거링 조건(트리거링 압력 또는 트리거링 온도) 중 어느 하나의 조건에 도달하면 자체 작동 및 자동 방식으로 지체 없이 그리고 바람직하게는 외부로부터의 에너지 공급 없이 (고장 대비 안전 작동 원리에 따라) 개방되고, 그에 따라 오버플로 횡단면을 차단 해제하게 된다. 이와 같은 사실은 개방 메커니즘의 다양한 구성을 위해서 필요한, 폐쇄 장치의 개수를 최소화하면서 넓은 개방 면적에 상응하게 평평한 천장 구조 내 폐쇄 부재들의 배치를 가능케 한다. 또한, 이와 같은 구조는 압력 상승이 최대인 경우에도 각각의 장치에 작용하는 차이 압력을 제한하며, 그럼으로써 각각의 개방 부재 그리고 차이 압력에 의해 하중을 받는 시스템 챔버 구조의 특히 경제적인 구성이 가능해진다. 이 경우 압력 의존형 개구부는 입증된 방식으로 고유한 폐쇄 부재를 형성하거나 또는 이 폐쇄 부재에 통합되는 파열막 또는 파열판에 의해서 구현된다.
바람직하게 각각의 폐쇄 장치는 온도 조건에 따른 트리거링의 경우 파열판 또는 파열막에 직접 작용하여 그 파열판 또는 파열막의 파괴 또는 균열을 야기하는 작동 장치를 포함한다. 바람직하게 상기 작동 장치는 스프링으로 작동되는 작동 장치다. 또한, 폐쇄 장치는 바람직하게 트리거링 온도에 도달하기 전에 작동 장치를 차단하거나 이 작동 장치의 작용을 보상하는 로킹 장치를 포함한다. 예컨대 파열막의 표면에서 거의 바로 중심에는, 예압되어 있지만 정상 작동 중에는 용융 납땜 장치에 의해 차단되어 있는 인장 스프링이 고정될 수 있으며, 그럼으로써 용융 온도에 도달하는 경우에 인장 스프링은 차단 해제되며, 그에 따라 인장 스프링이 이완되어 파열막을 파열시키게 된다.
대안적인 바람직한 실시예에 따르면, 파열판 또는 파열막은 회전 또는 선회 가능하게 벽면에 고정된 프레임 부재에도 고정되거나 또는 조여질 수 있고, 상기 프레임 부재는 로킹 부재에 의해 폐쇄된 위치에 고정될 수 있으며, 이 경우 로킹 부재는 트리거링 온도에 도달하는 경우에 잠금 해제되는 방식으로 설계되거나 또는 온도 의존형 트리거링 장치에 결합된다. 예컨대 파열 부재는 용융 납땜 장치를 통해 평평한 지지- 및 밀봉 구조물에 압착되는 프레임 부재 내에 장착될 수 있다. 용융 온도에 도달하는 경우에 프레임 부재 어셈블리는 중력 및/또는 탄성력에 의해 고정 해제되고 개방된다. 대안적으로, 온도에 따라 트리거링이 개시되지 않는 경우에는, 파열 압력에 도달하는 경우에 폐쇄 부재 내 파열막 또는 파열판이 개방된다.
용융 납땜 장치는 더욱 바람직하게는 프레임에 제공되는 하나 또는 소수의 홀딩 부재에 집중되고 인장 부재들을 구비한다. 이와 같은 구조에 의해 압착력이 밀봉 부재들에 분포됨으로써 충분한 기밀성이 달성되고, 간단한 기능 검사 또는 간단한 교환이 가능해진다.
추가적인 바람직한 변형예에 따르면, 폐쇄 부재의 트리거링 및 개방은 폐쇄 부재로부터 이격되어 배치되는 트리거링 장치에 의해 이루어진다. 이와 같은 트리거링 장치는 트리거링의 경우에 기계식 또는 공기압/유압식 원격 제어 장치를 통해서 폐쇄 부재 또는 대응하는 로킹 부재에 작용한다. 예컨대 용융 땜납 또는 용융 캡슐을 포함하는 트리거링 장치는 시스템 챔버 내에서 상대적으로 높은 영역에 장착될 수 있고, 트리거링은 작동 케이블 또는 인장된 스프링 부재 등을 통해 상대적으로 아래에 위치하는 폐쇄 부재로 전달된다. 그리고 이에 대체되는 시스템에 따르면 트리거링의 경우에는 축압기 또는 하나 또는 그 이상의 유압 용기에 연통되고 정상 작동 중에 용융 캡슐 또는 용융 땜납에 의해 폐쇄되는 배관이 차단 해제됨으로써, 이격 배치된 폐쇄 부재가 가압의 적용 결과에 따라서 잠금 해제되거나 개방된다.
바람직하게 폐쇄 부재는 개방 과정이 폐쇄 부재의 자체 고유 중량에 의해 이루어지거나 또는 보조될 수 있도록 구성되어 벽면에 고정된다. 이를 위해 특히 천장부 내에 수평으로 장착되고 예컨대 폐쇄 게이트의 형식으로 형성되는 폐쇄 부재는 하나 또는 그 이상의 힌지를 구비하여 천장 벽면에 또는 그 외의 지지 구조물에 고정되고, 그에 따라 개방 과정 중에는 하부 방향으로 개방된다.
특히 폐쇄 부재를 수직으로 장착하는 경우에는 바람직하게 개방 과정을 지원하는 스프링 부재 또는 스트럿(strut)이 제공된다.
대안적인 또는 추가적인 실시예에 따르면, 오버플로 횡단면의 개방은 모터로 작동되는 오버플로 게이트에 의해 이루어질 수 있다. 이런 게이트는 본 실시예의 경우 바람직하게는 영구적으로 모터로 폐쇄된 상태로 유지되고, 탄성력 및/또는 자체 고유 중량에 의해서 개방된다. 따라서 이런 경우에 사전 설정된 절대 압력 또는 차이 압력에 도달하는 경우에 또는 트리거링 온도에 도달하는 경우에는 적합한 측정 및 제어 장치를 통해서 개방이 야기될 수 있다. 구동 모터 또는 할당된 제어 시스템에 전압이 공급되지 않거나 또는 트리거링 기준(예: 압력, 온도 또는 가스 농도)에 도달하면, 폐쇄 부재는 고장 대비 안전 작동 원리에 따라 확실하게 그리고 외부 에너지 없이 개방된다. 이와 같은 폐쇄 부재는 차이 압력 하중을 제한하기 위하여 마찬가지로 파열막을 구비할 수 있다.
바람직하게 상기와 같이 모터로 작동되거나 또는 모터 힘을 이용하여 폐쇄되어 고정되는 오버플로 게이트는 특히 루버 댐퍼(louver damper)로서 또는 스프링 리턴 모터를 구비한 관절식 선회 플랩으로서 형성될 수 있다. 또한, 이런 오버플로 게이트는 특히 높은 곳에 위치하는 오버플로 영역에 넓은 면적에 걸쳐 배치되고 앞에서 이미 충분히 설명된 온도 및 온도 감응형 폐쇄 장치들과 조합되어, 특히 시스템 챔버 내부의 낮은 곳에 위치하고 일시적으로 저온 상태가 되는 유입 영역에서 이용되거나 또는 작동 챔버로부터 시스템 챔버를 분리하는 격벽에서 이용된다. 시스템 챔버의 유입 개구부 영역에서 충분한 차폐를 보장하기 위하여 각각의 유입 장치 전방에 장착된 차폐벽이 제공된다. 이와 같은 차폐 장치들은 또한 반경 방향으로 배향되고 격벽에서 바닥으로부터 1/3 높이 지점 이내에 배치된다. 자유로운 대류 횡단면은 적어도 유입 횡단면의 2배가 될 수 있다.
바람직하게 폐쇄 부재의 각각의 파열막 또는 파열판은 사전 설정된 트리거링 압력이 가해질 경우에 압력 힘의 각각의 작용 방향에 따라 양쪽 측면 쪽으로 균열되거나 파손될 수 있도록 형성된다. 다시 말해 그에 의해서는, 예컨대 2차 측 생증기 라인(live steam line) 내의 파손에 의해 야기되는 방식으로, 작동 챔버 내에 외부의 초과 압력이 존재하는 경우에도 오버플로 횡단면의 개방이 야기된다. 또한, 파열 부재들은 더욱 바람직하게는 방사력이 발생하는 경우에도 2차 손상을 야기할 수 있는 파편이 발생하지 않도록 구성된다. 따라서 파열막은 바람직하게 일측 방향으로는 제공되는 파열 재료 웨브의 균열에 의해서 그리고 반대 방향으로는 1차적으로 버클링(buckling)에 의해서 파손될 수 있도록 설계된다. 밀봉을 위해 추가로 0.05㎜ 이하의 두께를 가지면서 약하게 파열되는 밀봉 필름이 이용될 수 있다. 다시 말해 20mbar 내지 300mbar의 부압 또는 초과 압력이 발생하는 경우에 파열막은 바람직하게 양방향으로 개방된다.
본 발명에 의해 달성되는 장점은 특히 한편으로는 원자력 발전소, 특히 가압 수형 원자로의 고에너지 형 액티브 컴포넌트들이 정상 작동 중에 주변의 작동 챔버들로부터 밀폐 방식으로 차폐되고, 그에 따라 작동 챔버들이 뜻밖에 발생하는 시험 및 유지 보수 작업을 위해 접근할 수 있는 상태로 유지되며, 다른 한편으로는 발열성 가스의 방출 위험이 있는 고장 및 사고 상황에서, 다양한 작동 원리를 기초로 하고 고장 대비 안전 작동 원리에 따르는 패시브 부재들의 사용 하에 신속하고도 신뢰할 수 있는 광범위한 챔버 개방이 이루어진다는 것이다. 오버플로 횡단면들을 높이에 따라 층을 이루는 방식으로 배치함으로써 최적화되는 방출된 가스의 대류성 분포는 특히 신뢰할 수 있고 간단한 방식으로 국부적인 최대 농도를 제한하며, 그럼으로써 격납 용기의 완전성을 저해할 수도 있는 폭발성 혼합물이 확실하게 방지된다. 따라서 본 발명은 복잡성 및 비용을 대폭 감소시키면서도 원자로 내 예비 안전성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1은 원자력 발전소의 격납 용기를 개략적으로 도시한 종단면도며,
도 2는 도 1에 따른 원자력 발전소의 오버플로 개구부를 위해 제공되어 시스템 고장의 경우에 자체 작동 방식으로 개방되는 폐쇄 장치를 도시한 개략도고,
도 3은 서로 다른 형식으로 설계된 2개의 폐쇄 장치를 조합하여 배치된 모습을 도시한 개략도며,
도 4는 도 1에 따른 원자력 발전소의 벽부에 장착되는 압력 및 온도 감응형 폐쇄 장치를, 온도 조건에 따라 원격 트리거링 장치에 의해 야기된 트리거링이 이루어진 후의 개방된 상태로 도시한 개략도고,
도 5는 트리거링이 발생하기 전의 상태로 도 4에 따른 폐쇄 장치의 원격 트리거링 장치를 도시한 개략도며,
도 6은 압력 조건에 따라 트리거링이 이루어진 후의 상태로 도 4에 따른 폐쇄 장치를 도시한 개략도다.
동일한 부품은 모든 도면에서 동일한 도면 부호로 기재되어 있다.
도 1은 가압 수형 원자로를 포함하는 원자력 발전소(4)에 종축(1)에 대해 실질적으로 대칭을 이루면서 연장되는 방식으로 제공되는 격납 용기(2)를 종단면도로 도시하고 있다. 컨테인먼트로서도 지칭되는 격납 용기(2)는 자체 내부에 고온의 압력 상태에 있는 수증기를 생성하기 위해 제공되는 원자력 컴포넌트, 특히 원자로 압력 용기(8) 그리고 상기 원자로 압력 용기에 연통되고 다수의 증기 발생기(12)를 포함하는 1차 냉각 회로(10) 및 추가 시스템 컴포넌트를 포함한다. 격납 용기(2)를 형성하는 셸들(shells)은 작동 중 고장이 비교적 심각한 경우에도 예컨대 1차 냉각 회로(10) 내에서의 누출로부터 유출되는 냉매를 둘러싸고 보유하면서 주변 환경으로 방사능이 방출되는 것을 억제한다. 통상적으로 격납 용기(2)의 셸은 강으로 제조되고, 본 도면에 도시되지 않은 콘크리트 외벽에 의해 둘러싸여 있다.
원자력 발전소(4)는 특히 높은 작동 안전성에 부합하게 설계되어 있으며, 동시에 절대적으로 경제적인 작동 방식이 가능하다. 이를 위해 격납 용기(2)의 내부 챔버(14)는 기밀한 격벽(16)에 의해서 원자로 압력 용기(8) 및 1차 냉각 회로(10)로, 즉 고에너지 형 액티브 컴포넌트들을 포함하는 시스템 챔버(18) 및 비교적 약한 방사능 하중을 받는 나머지 시스템 컴포넌트들을 포함하는 작동 챔버(20)로 분리된다. 시스템 챔버(18) 및 작동 챔버(20)는 경우에 따라 자체적으로 추가의 부분 챔버들로 분리되지만, 이와 같은 점은 이하에서 설명할 안전성 관련 개념 및 해당 레이 아웃 원리에는 기본적으로 중요하지 않다. 격벽(16)은 일반적으로 비교적 육중한 철근 콘크리트 구조로 형성되며, 그럼으로써 작동 챔버(20) 및 시스템 챔버(18)의 환기 측 분리 이외에도 시스템 챔버(18)의 내부에서 방출되는 방사선에 대해 상당한 차폐 효과도 실현된다. 따라서 작동 챔버(20)는 원자력 발전소(2)의 출력 작동 중에도 접근할 수 있는 상태로 유지되는데, 다시 말하자면 뜻밖에 발생하는 시험 및 유지 보수 작업을 위해 그 내부로 들어가는 과정이 용이해진다. 원자로 작동은 일반적으로 시스템 챔버(18) 내부에 배치되고 상대적으로 오염도가 높은 고에너지 형 원자력 컴포넌트에 대한 유지 보수 작업을 위해서만 중단되어야 한다.
예컨대 1차 냉각 회로(10) 내 누출에 의해 야기되거나 또는 그에 수반되는 작동 중 고장의 범주에서, 고온의 증기의 방출 이외에도 상당한 양의 발열성 및 폭발성 가스, 특히 수소가 시스템 챔버(18) 내로 방출될 수도 있다. 이와 관련하여 시스템 챔버(18)의 용적은 비교적 작게 유지되기 때문에, 상황에 따라 소정의 시간 후에는 폭발 위험이 상승함과 더불어 고려해야만 하는 임계 농도가 초과될 수도 있다. 이와 같은 임계 상태를 사전에 확실하게 배제하기 위해서, 작동 챔버(20)로부터 시스템 챔버(18)를 분리하는 격벽(16)에는 다수의 오버플로 개구부(22a, 22b, 22c)가 배치된다. 이와 같은 오버플로 개구부들은 정상 작동 중에는 자체에 각각 할당되는 폐쇄 부재들(24)에 의해 기밀하게 폐쇄되지만, 시스템 챔버(18) 내에서 고장이 발생하거나 또는 손상이 있는 경우에는 적시에 그리고 고장 시 모든 격납 용기(2) 내부에 공기를 효과적으로 분배하기 위해 각각의 오버플로 횡단면의 차단을 해제하게 된다. 각각의 폐쇄 부재(24)는 고장 지표로서 간주되는 트리거링 조건에 도달하거나 또는 그 조건을 초과하는 경우에 자체 작동 방식으로 외부로부터 에너지를 공급받지 않으면서 오버플로 횡단면의 개방을 야기하는 패시브 폐쇄 장치(26)의 구성 부품이다.
정상 작동 중에 시스템 챔버(18) 내에서는 이 시스템 챔버 내에 존재하는 공기의 흡입에 의하여 작동 챔버(20)에 비해 약간의 부압이 생성된다. 그에 따라 압력 차이는 약 10Pa 내지 최대 1000Pa가 된다. 공기 흡입을 위하여 도 1에 따르면 도면 부호 (28)을 갖는 흡입 장치가 제공된다. 이 흡입 장치는 격벽(16) 및 격납 용기(2)를 통과하여 시스템 챔버(18)로부터 외부로 안내되는 흡입 라인(30)을 포함하고, 이 흡입 라인에는 흡입 펌프(32)가 연결되어 있다. 주변 환경으로 유출되기 전에 시스템 챔버(18)로부터 흡입된 챔버 공기는 다수의 에어로졸 및 요오드 필터를 포함하여 흡입 라인(30) 내부에 접속된 다단식 정화 장치(34)에 의해 정화되고 방사능 제거된다. 또한, 시스템 챔버(18) 내에서 발생하는 열은 도면에 상세하게 도시하지 않은 순환 공기 냉각 시스템에 의해서 연속으로 소산되며, 그럼으로써 시스템 챔버(18) 내 챔버 온도는 정상 작동 중에는 약 60℃의 최대값 이하로 유지된다.
1차 냉각 회로(10) 내부의 누출에 기인하는 고장의 경우에는 고온의 증기 및 가스의 방출에 의하여 시스템 챔버(18) 내부에서 한편으로는 압력이 상승하고, 다른 한편으로는 온도가 상승하게 되며, 또한 챔버 공기의 수소 함량 또는 기타 발열성 가스의 농도도 상승할 수 있다. 따라서 시스템 챔버(18) 내부의 지배적인 압력 또는 작동 챔버(20)에 대한 압력 차이 및 공기 온도는 원자력 발전소(4)에 대한 고장 발생의 감시를 위해서 특히 중요하고도 적합한 매개 변수이다. 폐쇄 장치들(26)은 전술한 작동 매개 변수들(압력, 온도, H2 농도) 중 어느 하나 또는 그 이상의 매개 변수가 고장 지표로서 간주되는 임계값을 초과하면 곧바로 자동으로 반응하여 오버플로 횡단면의 개방을 야기할 수 있도록 설계 및 구성된다. 이와 관련하여 폐쇄 장치들(26)의 트리거링 및 작동 메커니즘을 고려하여 그 폐쇄 장치들이 다양하게 설계됨으로써, 비교적 느리게 압력이 형성되는 고장 상황이 발생할 수 있을 때에도 절대적으로 신뢰할 수 있으면서 비교적 광범위한 챔버 개방이 달성된다.
그 외에도 작동 챔버(20)로부터 시스템 챔버(18)를 분리하는 격벽(16)에 오버플로 개구부들(22a, 22b, 22c)을 특별하게 배치함으로써, 고장 발생의 경우에 모든 컨테인먼트 용적 내에 방출된 발열성 가스의 효율적이면서도 균일한 분포를 촉진하는 최적의 흐름 조건이 보장된다. 한편으로 비교적 낮은 곳에 위치하는 다수의 오버플로 개구부(22a)는 고장 발생의 경우에 자체 작동 방식으로 개방되는 압력 및 온도 감응형 폐쇄 장치들(26)을 구비하여, 시스템 챔버(18)의 하부로부터 1/3 높이 지점 이내에 수직의 장착 방식으로 제공된다. 다른 한편으로 상기와 같은 다수의 폐쇄 장치들이 증기 발생기(12) 상부의 천장부(36)의 오버플로 개구부들(22b) 내부에 배치됨으로써(수평 장착 방식) 어느 정도까지는 오버플로 천장부를 형성한다. 시스템 챔버(18) 내에 존재할 수도 있는 온도 성층을 적합하게 고려할 수 있도록 하기 위해, 높은 곳에 위치하는 폐쇄 장치(26)의 트리거링 온도는 낮은 곳에 위치하는 폐쇄 장치의 트리거링 온도인 약 65℃보다 더 높은 약 90℃로 선택된다. 또한, 바닥 근처 영역에서 모터로 작동되는 오버플로 게이트(38)는 그 바닥 근처 영역의 오버플로 개구부들(22c) 내에 장착된다. 따라서 이 오버플로 개구부들(22c)은 정상 작동 중에 각각 전동기(40)에 의해 폐쇄된 상태로 유지되고, 고장 발생의 경우, 다시 말해 전동기(40)가 작동 중지되거나 전압을 공급받지 못하는 경우에는 고장 대비 안전 작동 원리에 따라 탄성력 또는 중량에 의해서 개방된다.
전술된 바와 같이 트리거링 메커니즘의 다양화에 의해 원자로의 노심 영역에서 또는 1차 냉각 회로(10)에서 고장이 발생하는 경우에는, 대부분의 또는 적어도 상당한 수의 폐쇄 장치(26) 또는 폐쇄 부재(24)가 개방된다. 따라서 도 1의 오른쪽 부분에 흐름 화살표(42)로 도시한 흐름 경로가 설정되며, 이런 흐름 경로에 따라 고온의 가스 및 증기는 시스템 챔버(18)의 천장부(36) 내에 제공되어 높은 곳에 위치하는 오버플로 개구부들(22b)로부터 상부 방향을 향해 유출되고, 격납 용기(2)의 부분 중 상기 오버플로 개구부들(22b) 위에 위치하는 천장부에서 냉각되며, 그 다음에 이어서 격벽(16)과 격납 용기(2)의 내부 벽부 사이의 링 모양의 중간 챔버(44)에 따라 하부 방향으로 떨어지고, 결과적으로 다시 개방된 오버플로 횡단면들(22a, 22c)을 통해 시스템 챔버(18) 내부로 유입된다. 흐름 순환에 의해 앞서 분리되었던 "내부" 및 "외부" 컨테인먼트 공기들의 절대적으로 효과적인 혼합이 개시되며, 이와 같은 혼합에 의해 격납 용기(2)의 완전성 또는 안정성을 위협할 수도 있는 폭발성 가스 또는 가스 혼합기의 최대 농도가 확실하게 제한된다.
격벽(16)과 격납 용기(2)의 내부 벽부 사이에 위치하는 중간 챔버(44) 내 흐름 횡단면은 차폐 부재(114)에 의해 좁아지며, 그럼으로써 특히 바람직한 흐름 가이드가 제공된다. 실시예에 따르면, 차폐 부재들(114)은 그 전체가 일종의 환형 다이아프램(annular diaphragm)을 형성하고, 이 환형 다이아프램은 예컨대 시스템 챔버(18)의 1/3 높이 지점에서 격벽(16)에 장착된다. 그외 나머지 자유로운 대류 횡단면 또는 공급 흐름 횡단면(115)은 차폐 부재들(114)의 하부에 위치하는 오버플로 개구부들(22a, 22c)의 유입 횡단면보다 약 3배 더 크다.
그 외에도 다수의 촉매 재조합기(46)가 방출된 수소의 분해를 위해서 이용된다. 이와 관련하여 촉매 재조합기들은 바람직하게 시스템 챔버(18)의 내부 벽부 표면에, 특히 증기 발생기(12) 주변에 배치되며, 그럼으로써 오버플로 천장부(36)가 개방되는 경우에 상부 방향으로 상승하는 공기가 비교적 높은 속도로 상기 촉매 재조합기 내부로 흘러가게 된다. 그럼으로써 수소의 분해가 매우 효과적으로 이루어진다. 반응열에 의한 조건에 따라서는, 높은 곳에 위치하는 천장부 측의 오버플로 횡단면들로 유입되는 오버플로 속도가 2m/s 이상의 값으로까지 상승하게 된다. 결과적으로 재조합기들(46) 중 적어도 소수의 재조합기는 H2가 발생하는 경우에 그 재조합기 자체에 의해 생성되는 반응열이 비록 챔버 온도가 오히려 낮은 경우에도 트리거링 온도를 초과하도록, 다시 말해 각각의 오버플로 개구부를 개방하도록 온도 감응형 폐쇄 장치들(26) 근처에 배치된다. 다시 말해 이와 같이 원자력 발전소(4)에서 이용되는 재조합기들(46)을 다중으로 이용함으로써, 간단하면서도 경제적인 방식으로 폐쇄 장치들(26)을 위하여 수소 농도에 따르는 추가적인 트리거링 메커니즘이 실현된다.
도 2에는 예를 들어 압력 의존형 개방 및 온도 의존형 개방이라는 두 가지 기능이 통합된 폐쇄 장치(26)가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 폐쇄 장치(26)는 특히 원자력 발전소(4)의 시스템 챔버(18)의 천장부(36) 또는 천장 벽부에 수평으로 장착하기에 적합하다; 그러나 예컨대 측벽에 경사지거나 수직인 장착 위치를 갖는 변형예도 생각할 수 있다.
폐쇄 장치(26)는 오버플로 개구부(22)를 덮기 위해 제공되는 폐쇄 부재(24)를 포함하고, 이 폐쇄 부재는 제 1 프레임 부재(48) 내에 삽입되는 파열막(50)을 포함한다. 프레임 부재(48)는 방향 화살표(52)로 표시된 방향으로부터 바라본 평면도에 따르면 장방형의 바닥면을 갖는다. 프레임 부재(48) 자체는 횡단면이 정방형인 중공 지지체로 형성되거나 또는 또 다른, 예컨대 개방된 강철 프로파일(L자, U자형 조합 프로파일)을 사용하여 형성된다. 파열막(50)을 지지하는 제 1 프레임 부재(48)는 힌지(56)에 의해 선회 가능하게 제 2 프레임 부재(58)에 고정되고, 그럼으로써 폐쇄 부재(24) 어셈블리는 필요에 따라 도어 날개 또는 채광창의 형태로 밀봉 및 홀딩 구조(60)와 견고하게 체결된 제 2 프레임 부재(58)에 대하여 개방되며, 상기 제 2 프레임 부재(58)는 동시에 제 1 프레임 부재(48)를 위한 지지부 및 정지부로서 이용된다. 밀봉 및 홀딩 구조(60) 자체는 원자력 발전소의 부분 중 본 실시예에 도시되지 않은 콘크리트 천장부 또는 격벽에 고정된다. 상기 두 개의 프레임 부재(48, 58)는 홀딩 구조(60) 하부에 배치되며, 그럼으로써 폐쇄 부재(24)는 트리거링의 경우에 하부 방향으로 자유로이 개방될 수 있다.
원자력 발전소(4)의 정상 작동 중에 폐쇄 부재(24)는 기밀하게 폐쇄된 상태로 유지되는데, 다시 말해 도 2에 도시한 바와 같이 개방 과정 중에 이동 경로에 명시된 세 가지 위치들 중 가장 최상부 위치에 위치하게 된다. 그에 따라 두 개의 프레임 부재(48, 58)는 서로 인접하여 상하로 위치하며, 충분한 압착력의 제공에 의해서 그리고 경우에 따라서는 본 실시예에 상세하게 도시하지 않은 밀봉 수단에 의해서 높은 기밀성이 성취된다. 이와 같은 폐쇄 상태는 정상 작동 중에 용융 땜납(62)을 포함하는 로킹 장치(64)에 의해서 유지된다. 로킹 장치(64)는 두 개 프레임 부재(48, 58)의 힌지 보강 측면을 마주보면서 동일한 위치에 장착된다. 막대 또는 띠 모양의 용융 땜납(62)은 도 2의 오른쪽 아래에서 잘 알 수 있듯이 자체 양쪽 단부에 각각 고정 나사(66)에 의해서 한편으로는 이동 가능하게 장착된 제 1 프레임 부재(48)와 견고하게 결합되고, 그리고 다른 한편으로는 이동 불가능한 제 2 프레임 부재(58) 또는 위치 고정된 밀봉 및 홀딩 구조(60)와 견고하게 결합되며, 그로 인해 정상 작동 중에는 폐쇄 부재(24)의 개방을 억제한다. 그 외에도 조정 나사(68)로 조정될 수 있는 인장 장치(70)에 의하여 두 개의 프레임 부재(48, 58) 사이에 존재하는 압착력이 조정될 수 있으며, 그럼으로써 어셈블리의 기밀도가 재조정될 수 있다. 용융 납땜 장치는 바람직하게 서로 평행한 다수의 용융 땜납의 어셈블리로 구성되고, 또한 상기 용융 땜납들은 (빗 모양과 유사하게) 서로에 대해 수 mm의 간격으로 이격된 상태로 장착되며, 그에 따라 발전소의 정상 작동 중에 상대적으로 더욱 높은 폐쇄력을 인가할 수 있다. 또한, 상기와 같은 구성은 개별 용융 땜납 스트립들 사이의 간극 영역에 촉매 부재를 수용하는 데 특히 적합하다.
용융 땜납(62)의 용융점은 용융 땜납(62)이 위치한 곳의 챔버 온도가 특히 사전 설정되고 오버플로 개구부에 적합하게 조정된 트리거링 값을 초과하자마자 폐쇄 부재(24)가 차단 해제될 수 있도록 선택된다. 다시 말해, 용융 땜납(62)은 견고하게 삽입 고정되거나 나사 체결된 양쪽 단부 사이의 중심 영역에 적용되는 용융 과정에 의해서 분리되며, 그 다음에 이어서 폐쇄 부재(24)는 자체 고유 중량으로 인해 그리고 "현가식" 장착을 기반으로 하부 방향으로 개방되고, 관류를 위해 오버플로 개구부(22)를 차단 해제하게 된다. 트리거링이 이루어진 후에는 새로운 용융 땜납(62)을 교체함으로써 원래 상태로의 복원이 용이해진다. 그 외에도 용융 납땜 장치(62)의 교환을 통해 해당 부재의 반복적인 기능 시험이 용이하게 실행될 수 있을 뿐 아니라, 트리거링 온도가 변경되어 예를 들어 원자력 발전소(4)의 변경된 작동 조건에 또는 변경된 안전 규정 등에 적응될 수 있다.
폐쇄 부재(24)의 온도 의존형 잠금 해제 및 개방에 대체되는 실시예에 따르면, 파열 압력에 도달하는 경우에 오버플로 횡단면의 개방은 파열막(50)의 파열에 의해서도 이루어질 수 있다.
도 3은 오버플로 천장부(36)에 서로 직접적으로 나란하게 배치된 2개의 폐쇄 장치(26)가 조합된 모습을 도시하고 있다. 상기 폐쇄 장치들 중에서 왼쪽 폐쇄 장치는 자체 구성 및 작동 방법과 관련하여 도 2에서 확인할 수 있는 폐쇄 장치(26)에 상응하지만, 오른쪽 폐쇄 장치는 약간 더 단순하게 고정식 프레임(72)에 삽입 고정된 파열막(50)을 구비하여 순수하게 압력에 감응하는 폐쇄 장치(26)로서 형성되었다. 일반적으로 폐쇄 장치들(26)의 일부분에만 다양한 트리거링 및 개방 메커니즘을 제공하는 것만으로도 수많은 사용 분야 및 적용 목적에 부합할 수 있으며, 그로 인해 원자력 발전소(4)의 설계, 제조 및 유지 보수를 위한 총 비용은 비교적 낮게 유지될 수 있다.
도 4는 폐쇄 장치(26)의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 그에 따른 폐쇄 장치는 특히 상대적으로 낮은 고장 또는 사고 온도의 영역에서 이용하기에 적합한데, 예를 들면 측벽(74) 내부에 또는 격벽(16)의 일측 구간에 수직으로 장착하기에 적합하다. 도 3으로부터 알 수 있는 폐쇄 장치(26)와 유사하게 도 4에 따른 변형예는 프레임 부재(48)에 고정된 파열막(50)을 포함하고 있다. 프레임 부재(48)는 도 4에서 확인할 수 없는 다수의 힌지(56)에 의해 하부에 위치하는 자체 길이방향 측면(76)에서 철근 콘크리트 벽에 삽입된 프레임 모양의 지지 구조(78)에 선회 가능하게 장착되며, 그럼으로써 프레임 부재(48)는 잠금이 해제되는 경우에 실질적으로 자체 고유 중량에 의해 도 4에 도시된 개방 위치로 이동되고 하부 방향으로 개방될 수 있다. 그리고 개방 과정은, 특히 개방 초기 단계에서는 측면에 배치되고 각각의 단부 측에서 이동식 프레임 부재(48) 및 벽부(74)에 관절식으로 고정된 2개의 신축식 스프링 부재(80)에 의해서 지원된다.
정상 작동 중에 프레임 부재(48)는 지지- 및 홀딩 구조(78)의 측면 중 힌지(56)의 맞은편 측면에 장착되고, 이와 관련하여 프레임 부재(48)의 대응하는 피팅(82) 내에 맞물려 고정되는 로킹 부재(83)에 의해 폐쇄된 상태로 유지된다. 본 실시예의 경우, 로킹 부재는 압축 공기가 인가되면 잠금 해제되는 공기압식 로킹 부재(83)다. 이를 위해 로킹 부재(83)는 원자력 발전소(4)의 정상 작동 중에는 무압 상태의 배관(84)을 통해 온도 의존형 트리거링 장치(86)에 연결된다. 트리거링 장치(86)는 트리거링의 경우에 로킹 부재(83)의 잠금 해제에 필요한 작동 압력을 제공한다. 또한, 트리거링 장치(86)는 로킹 부재(83)에 대하여 상대적으로 바람직하게는 고장 온도가 더 높은 영역에 배치될 수 있고, 배관(84)의 라인 길이에 따라 원격 트리거링 장치로서 설계될 수도 있다.
도 5에 트리거링 과정 전의 상태로 도시되어 있고 도 4에 트리거링 과정 후의 상태로 도시되어 있는 트리거링 장치(86)는 압력을 받고 있는 가스로 충진된 압축 가스 용기(88)를 포함하고, 이 압축 가스 용기의 배출구 측은 체크 밸브(90)에 의해서 폐쇄될 수 있다. 정상 작동 중에, 다시 말해 트리거링 조건에 도달하기 전에는 체크 밸브(90) 중 스프링 하중을 받는 밸브 태핏(92)이 유리관 안전 장치(94)에 의해 폐쇄된 상태로 유지된다. 상기 안전 장치(94)는 예컨대 유리관으로 형성될 수 있고, 이를 위해 밸브 하우징(96) 외부에 배치되고, 정지부(98)에 의해서 자체 위치에 고정되는 유리관(100)을 포함한다. 이와 같은 유리관에는, 밸브 태핏(92)을 밀착시키고 그에 따라 폐쇄 위치에 상기 밸브 태핏(92)을 고정시키는 작동 로드(102)가 고정된다. 유리관(100)은 유리 재료로 제조되고, 사전 설정된 트리거링 온도, 통상 65℃ 내지 90℃에 도달하면 용융되거나 또는 파열되며, 그럼으로써 앞서 차단된 밸브 태핏(92)은 차단 해제된다. 압축 가스 용기(88) 내부의 초과 압력의 결과로서 그리고 압축 스프링(104)의 탄성력 보조에 의해 밸브 태핏(92)이 개방되고, 그럼으로써 압축 가스 용기(88) 내에 위치하는 가스는 압축 가스 용기로부터 유출되며, 제일 먼저 하우징(106)에 의해 둘러싸인 중간 챔버(108)로 유입되고, 그 다음에 이어서 공기압식 로킹 부재(83)와 연결된 배관(84)으로 유입될 수 있다. 그렇게 함으로써 로킹 부재(83)가 잠금 해제되고, 벽부(74)에 배치된 폐쇄 부재(24)가 개방된다.
본 실시예에 따르면, 유리관(100)은 중간 챔버(108) 외부에 위치하고, 작동 로드(102)는 하우징 벽부의 대응하는 리세스부(110)를 통해 안내된다. 작동 로드(102)는 리세스부(110) 내에서 자체 길이 방향으로 변위될 수 있다. 작동 로드(102)와 하우징(106) 사이의 간극은 작게 유지되고, 리세스부(110)의 가장 자리에 고정되고 본 실시예에는 상세하게 도시되지 않은 밀봉 링 등에 의해서 밀폐되며, 그로 인해 상기 간극의 위치에서는 누출에 따른 압력 손실이 발생하지 않게 된다.
원격 트리거링의 전술한 기능은 유압 장치 또는 작동 케이블 시스템에 의해서도 달성될 수 있다.
마지막으로 도 6은 도 4로부터 알 수 있는 폐쇄 장치(26)를 재차 도시하고 있지만, 그 상태는 압력 조건에 따른 트리거링이 발생한 이후의 상태이다. 다시 말해 프레임 부재(48)가 폐쇄된 상태로 유지되는 조건에서 파열막(50)이 균열되거나 파열되어 있다. 화살표(112)는 설정된 흐름을 지시한다.
1: 종축 2: 격납 용기
4: 원자력 발전소 8: 원자로 압력 용기
10: 1차 냉각 회로 12: 증기 발생기
14: 내부 챔버 16: 격벽
18: 시스템 챔버 20: 작동 챔버
22a, 22b, 22c: 오버플로 개구부
24: 폐쇄 부재 26: 폐쇄 장치
28: 흡입 장치 30: 흡입 라인
32: 흡입 펌프 34: 정화 장치
36: 천장부 38: 오버플로 게이트
40: 전동기 42: 흐름 화살표
44: 중간 챔버 46: 재조합기
48: 프레임 부재 50: 파열막
52: 방향 화살표 56: 힌지
58: 프레임 부재 60: 밀봉 및 홀딩 구조
62: 용융 땜납 64: 로킹 장치
66: 고정 나사 68: 조정 나사
70: 인장 장치 72: 프레임
74: 측벽 76: 길이방향 측면
78: 지지 구조
80: 신축식 스프링 부재(telescopic spring element)
82: 피팅 83: 로킹 부재
84: 배관 86: 트리거링 장치
88: 압축 가스 용기 90: 체크 밸브
92: 밸브 태핏 94: 유리관 안전 장치
96: 밸브 하우징 98: 정지부
100: 유리관 102: 작동 로드
104: 압축 스프링 106: 하우징
108: 중간 챔버 110: 리세스부
112: 화살표 114: 차폐부
115: 공급 흐름 횡단면

Claims (20)

  1. 원자력 발전소에 있어서,
    내부 챔버, 및
    상기 내부 챔버를 원자로 압력 용기 및 1차 냉각 회로를 갖는 시스템 챔버와 정상 작동 중에 접근 가능한 작동 챔버로 나누는 기밀성 격벽(intermediate wall)을 포함하는 격납 용기로서, 상기 기밀성 격벽은 내부에 형성된 복수의 오버플로 개구부들을 가지며, 상기 격납 용기는 상기 오버플로 개구부들을 각각 하나씩폐쇄하는 폐쇄 요소들을 구비한 폐쇄 장치들을 추가로 가지며, 상기 폐쇄 요소가 상기 각각의 오버플로 개구부와 연관된 트리거 조건에 도달될 때 자동으로 개방되는, 격납 용기를 포함하고,
    상기 폐쇄 장치들 중 제 1 그룹은 압력에 따라 자동으로 개방되고,
    상기 폐쇄 장치들 중 제 2 그룹은 상기 압력과 무관하게 자동으로 개방되고,
    상기 제 2 그룹의 폐쇄 장치들 중 두 개 이상의 폐쇄 장치들은 온도에 의존하여 개방되고,
    상기 두 개 이상의 온도 의존형 폐쇄 장치들 각각은 상기 시스템 챔버 내의 측정 위치에서의 대기 온도가 각각의 온도 의존형 폐쇄 장치에 대해 선택된 미리 결정된 트리거 온도를 초과하자마자 개방되고,
    상기 두 개 이상의 온도 의존형 폐쇄 장치들은 상기 격납 용기 내의 상이한 높이에 위치되며,
    상기 두 개 이상의 온도 의존형 폐쇄 장치들은, 보다 낮은 높이에 위치된 상기 두 개 이상의 온도 의존형 폐쇄 장치들 중의 하나가 보다 높은 높이에 위치된 상기 두 개 이상의 온도 의존형 폐쇄 장치들 중의 다른 하나보다 낮은 미리 결정된 트리거 온도에서 개방되도록 구성되는,
    원자력 발전소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격납 용기는 상이한 작동 원리를 기초로 하고 상기 폐쇄 장치들 내에 결합된 복수의 트리거 장치들을 가지는,
    원자력 발전소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄 장치들 중의 하나 이상은 상기 시스템 챔버 내의 대기압이 미리 결정된 트리거 압력을 초과하자마자 자동으로 개방되는,
    원자력 발전소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄 장치들 중의 하나 이상은 상기 시스템 챔버와 작동 챔버 사이의 압력차가 미리 결정된 트리거 값을 초과하자마자 자동으로 개방되는,
    원자력 발전소.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 트리거 값은 20 mbar 내지 300 mbar 범위인,
    원자력 발전소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 격납 용기는 온도 의존형 트리거 장치 및 원격 제어 장치를 가지며,
    상기 시스템 챔버는 천장을 가지며,
    상기 폐쇄 요소들 중의 하나는 상기 원격 제어 장치를 통해서, 상기 시스템 챔버의 보다 높은 영역 내에 위치되는 상기 온도 의존형 트리거 장치에 결합되는,
    원자력 발전소.
  7. 제 1 항에 있어서,
    하나의 폐쇄 장치의 미리 결정된 트리거 온도는 65 ℃ 내지 90 ℃ 범위인,
    원자력 발전소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 그룹의 폐쇄 장치들 중의 하나 이상은 상기 시스템 챔버 내의 대기 중에 존재하며 가연성 또는 폭발성을 가지는 가스의 농도가 미리 결정된 트리거 농도를 초과하자마자 자동으로 개방되는,
    원자력 발전소.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 트리거 농도는 1 내지 2 체적%인,
    원자력 발전소.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄 장치들 중의 하나 이상은 온도에 따라 개방되며,
    상기 원자력 발전소는 폭발성 또는 발화성 가스들의 존재시에 열을 방출하는 하나 이상의 요소를 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 요소는 방출된 열이 임계값을 초과할 때 상기 폐쇄 장치들 중의 하나 이상의 개방을 촉발시키도록 배치되는,
    원자력 발전소.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 챔버는 바닥을 가지며,
    각각의 경우에 상기 폐쇄 장치들 중의 하나에 제공되는 제 1 하위세트의 오버플로 개구부가 상기 시스템 챔버의 바닥 근처에 배치되며, 제 2 하위세트의 오버플로 개구부가 보다 높은 영역 내에 배치되며, 상기 제 1 하위세트와 제 2 하위세트 사이의 높이 차이는 5 m 보다 큰,
    원자력 발전소.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 격납 용기는 상기 제 1 하위세트의 오버플로 개구부와 제 2 하위세트의 오버플로 개구부 사이에 있는 상기 시스템 챔버의 내벽 상에 장착되는 복수의 재조합기를 가지는,
    원자력 발전소.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄 요소에 의해 전체적으로 덮인 면적은 상기 시스템 챔버의 수평 횡단면적의 0.1 내지 0.5 배인,
    원자력 발전소.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 격납 용기는 상기 시스템 챔버의 유동 개방 영역 내에 배치되는 추가 스크린을 가지며, 상기 추가 스크린에 의해 경계가 정해지는 유동 개방 영역의 유입 횡단면은 상기 오버플로 개구부들 중의 관련된 오버플로들의 유입 횡단면의 두 배 이상인,
    원자력 발전소.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 격납 용기는 강으로 제조되는 평탄한 홀딩 및 밀봉 구조물을 가지며, 상기 폐쇄 요소들은 상기 평탄한 홀딩 및 밀봉 구조물 내의 넓은 면적 위에 끼워 맞춰지는,
    원자력 발전소.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 격납 용기는 상기 시스템 챔버 내의 공기를 냉각시키기 위한 냉각 장치 및 상기 시스템 챔버 내의 실온이 정상 작동 중에 지속적으로 60 ℃ 미만으로 감소될 수 있는 냉각력을 가지는,
    원자력 발전소.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 격납 용기는 상기 시스템 챔버 내에 있는 공기를 위한 흡입 장치 및 흡입 공기를 정화 및 오염제거하기 위한 정화 장치를 가지는,
    원자력 발전소.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 하위세트의 오버플로 개구부는 상기 시스템 챔버의 천장을 형성하는 상기 기밀성 격벽의 섹션 내에 배치되며,
    상기 제 1 하위세트와 제 2 하위세트 사이의 높이 차이는 20 m 보다 큰,
    원자력 발전소.
  19. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스의 농도는 수소의 농도인,
    원자력 발전소.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 요소는 촉매 요소인,
    원자력 발전소.
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